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Propagation of self-collimated lights in two-dimensional photonic crystals = 2차원 광결정 내에서 자기조준되는 빛의 진행
서명 / 저자 Propagation of self-collimated lights in two-dimensional photonic crystals = 2차원 광결정 내에서 자기조준되는 빛의 진행 / Sun-Goo Lee.
저자명 Lee, Sun-Goo ; 이성구
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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초록정보

In this thesis, we present a study on the propagation of self-collimated beams in two-dimensional photonic crystals for the future applications to implement photonic integrated circuits based on the self-collimation effect. We analyze the equifrequency contours of a two-dimensional square lattice photonic crystal which is composed of dielectric rods with the dielectric constant $\epsis = 12$ and the radius $\it{r} = 0.35 a$. Lights of frequencies around $\it{f} = 0.194 \it{c/a}$ have flat equifrequency contours and thereby can exhibit self-collimation phenomenon when they propagate along the (11) direction of square lattice. Finite-difference time-domain simulations demonstrate that self-collimated beam can be well guided in photonic crystals without the use of any physical boundary. Bending and splitting of self-collimated beams are investigated. From the equifrequency contour analysis, we find that the concept of total internal reflection at the interfaces between two dielectrics can be also applied to the interfaces between two-dimensional photonic crystals and air. We show that a line-defect created by removing a few rods in a row can totally reflect the incoming self-collimated beams. Also a line-defect created by reducing the radius of rods in a row gives rise to the splitting of self-collimated beams. Moreover, the power ratio between two split self-collimated beams can be controlled systematically by varying the radii of rods in the line-defect. It is shown that self-collimated beams can be effectively routed by employing the line-defect mirrors and beam splitters. We propose a method to design antireflection structures to minimize the reflection of light beams at the interfaces between a two-dimensional photonic crystal and a homogeneous dielectric. The design parameters of the optimal structure to give zero reflection can be obtained from the one-dimensional antireflection coating theory and the finite-difference time-domain simulations. We investigate the performance of a photonic crystal Mach-Zehnder interferometer utilizing self-collimated beams with and without the optimal antireflection structure is introduced. It is demonstrated that the optimal antireflection structure significantly improves the performance of a photonic crystal device. Two types of optical filters are proposed. Both the proposed ring-type Fabry- P$\eacute$rot and the asymmetric Mach-Zehnder filter are composed of two line-defect beam splitters and two totally reflecting mirrors. We show that the filtering characteristics of proposed filters result from the interference of multiple beams. It is demonstrated that the transmission properties of the asymmetric Mach-Zehnder filter can be controlled by varying the physical length difference between two light paths, or by modifying the geometry of the perfect mirror. It is also demonstrated that the ring-type Fabry-P$\eacute$rot filter can be useful in not only separating but also combining multiple self-collimated beams due to its geometric configuration. Our proposed optical filters may be important building blocks of photonic integrated light circuits based on the self-collimated propagation of light in photonic crystals.

이 논문에서는 이차원 광결정 내에서 자기조준 되는 빛의 전파특성에 대해서 조사하였다. 자기조준현상은 광결정 내부에서 빛이 퍼짐 없이 진행하는 흥미로운 현상으로 2000년 이후부터 본격적인 연구가 이루어지고 있다. 자기조준 되는 빛은 물리적인 경계면 없이도 광결정 내부에서 잘 도파 될 뿐만 아니라, 두 자기조준 파가 교차할 때 교차 손실이 없기 때문에 광집적회로의 구현에 응용 가능성이 매우 큰 것으로 인식되고 있다. 본 연구에서는 자기조준 현상을 이용한 광집적회로의 구현에 이바지 하고자, 광결정 내부에서 자기조준파의 흐름을 제어하는 방법과 광결정 외부에서 내부로 자기조준파를 효율적으로 주입시키는 방법에 대해서 조사하였다. 본 연구는 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 기반으로 수행되었으며, 평면파 전개법과 유한차 시간 정의역 방법을 사용하였다. 먼저, 반지름이 $0.35 \it{a}$ 이고 유전상수가 12인 유전체 기둥을 사각격자로 만든 광결정 내부에서 주파수가 $0.194 \it{c/a}$ 인 빛이 $\Gamma \mathbf{M}$ 방향으로 진행하는 경우 자기조준 되는 특성을 가지며, (10) 광결정-공기의 경계면에서 전반사 되는 것을 확인 하였다. 본 연구에서의 중요한 발견은 두 줄의 막대들을 제거하여 만든 선결함의 경우에도 자기조준파를 완전히 반사시킨다는 사실을 알아낸 것이다. 또한, 한 줄의 막대들의 반지름을 변화시킨 선결함을 이용하여 $\Gamma \mathbf{M}$ 방향으로 진행하는 하나의 선속을 두 개의 선속으로 분할할 수 있는 선속 분할기를 제시하였으며, 선결함의 반지름을 조절함으로써 분할되는 선속들의 에너지의 비율을 조절할 수 있다는 사실을 알아 내었다. 다음으로 광결정의 외부에서 광결정으로 빛을 효율적으로 주입할 수 있는 방법에 대해서 연구를 수행하였다. 자기조준 및 음굴절 현상과 같이 광결정 내부에서 비정상적으로 진행하는 빛을 이용하여 광소자를 구현하는데 있어서 광결정 경계면에서의 반사를 줄이는 것이 중요한 문제로 인식되고 있으며 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 기존의 잘 알려진 반사반대 코팅의 원리와 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 원하는 주파수의 빛에 대해서 정확히 반사를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 광결정 경계면에 한 줄의 막대들을 추가하고, 추가한 막대들의 반지름과 상대적인 거리를 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 최적화 시킴으로써 반사를 없앨 수 있었다. 또한, 제시한 경계면 최적화의 방법을 자기조준파에 적용하였을 경우 30\%이상 반사되던 빛이 99%이상 주입되었다. 마지막으로, 자기조준 현상을 이용한 필터를 설계하였다. 특정한 주파수의 빛만을 선택적으로 투과 시키는 필터는 광집적회로의 집적도를 높이기 위한 필수 소자이므로 자기조준 현상을 광회로의 구현에 이용하기 위해서 반드시 연구가 필요한 부분이다. 본 연구에서는 두 개의 선속 분할기와 두 개의 거울로 이루어진 링 형태의 패브리-패롯 필터와 마하-젠더 필터를 설계하였으며 특성을 조사하였다. 패브리-패롯 필터는 특정한 주파수의 빛을 추출 하는 것은 물론 구조적인 특성상 추출된 빛을 본래의 빛과 결합시킬 수 있으며, 마하-젠더 필터의 경우에는 거울의 모양을 변화시킴으로써 투과 특성을 변화화시킬 수 있는 장점이 있다는 사실을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 09031
형태사항 x, 68 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이성구
지도교수의 영문표기 : Hae-Yong Park
지도교수의 한글표기 : 박해용
수록잡지정보 : "Line-defect-induced bending and splitting of self-collimated beams in two-dimensional photonic crystals". Applied Physics Letter, v. 87, pp. 181106-181108(2005)
수록잡지정보 : "Reflection minimization at two-dimensional photonic crystal interfaces". Optics Express, v. 16. no. 6, pp. 4270-4277(2008)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 References : p. 62-68
주제 photonic crystal;photonic integrated circuit;self-collimation;optical device;
광결정;광집적 회로;자기조준;광소자;
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